INVESTIGAÇÃO NUMÉRICA DA CIRCULAÇÃO DIRETA E REVERSA NO PROCESSO DE PERFURAÇÃO DE POÇOS DE PETRÓLEO
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Vinicius Daroz, 2 Emerson Luiz Maneira e 3 Admilson T. Franco 1
Bolsista de iniciação Científica ANP/Petrobras, discente do curso de Engenharia Mecânica 2
Engenheiro Mecânico 3
Professor da Universidade Tecnológica Federal do Paraná 1,2
Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Av Sete de Setembro, 3165, Campus Sede, Curitiba - PR, CEP 80230-901
e-mail: admilson@utfpr.edu.br
RESUMO - No presente trabalho é realizado um estudo numérico para a comparação entre as técnicas de circulação direta e reversa utilizadas na perfuração de poços de petróleo. O entendimento da dinâmica do escoamento se dá pela implementação numérica de um modelo em três dimensões de uma broca tricônica sujeita ao escoamento turbulento de um fluido newtoniano. O estudo tem como objetivo comparar o desempenho das duas técnicas na limpeza do poço, lubrificação da broca e remoção dos cascalhos. Para tanto, avaliou-se a influência de parâmetros como as propriedades reológicas do fluido, rotação da coluna e vazão de bombeio sobre a dinâmica do escoamento na região da broca. De forma geral, os dois escoamentos apresentam comportamentos muito distintos. Enquanto que, na circulação direta, o fluido é acelerado pelos bocais ejetores e choca-se contra o fundo do poço contribuindo para o arrefecimento, lubrificação e limpeza do fundo do poço, na circulação reversa o escoamento adentra os bocais prematuramente, podendo causar problemas operacionais como o desgaste precoce da broca causado por abrasão e por deficiência do arrefecimento.
Palavras-Chave: circulação direta, circulação reversa, escoamento turbulento
INTRODUÇÃO
Durante o processo de perfuração, a broca deve vencer os esforços necessários para fraturar ou cisalhar a rocha. Para tanto, o corpo da broca encontra-se em constante desgaste devido às elevadas dureza e abrasividade das formações geológicas. Para tentar amenizar o desgaste precoce da broca e exercer uma série de outras funções, o processo de perfuração ocorre acontece na presença de um fluido de perfuração.
O fluido de perfuração é um importante componente do processo e dentre suas funções destacam-se: remover os cascalhos do fundo do poço e carrega-los até a superfície; exercer pressão hidrostática suficiente contra as paredes do poço para evitar que fluidos provenientes da formação invadam o poço; manter o poço recém formado aberto até que seja cimentado; refrigerar e lubrificar a broca (BOURGONYE et al., 1986).
Em uma das etapas do circuito, o fluido de perfuração deve ser bombeado em direção à broca. Atualmente, existem duas maneiras de fazê-lo: de forma direta, em que o fluido é bombeado pelo interior da coluna de perfuração e retorna pelo espaço anular (Figura 1a); de forma reversa, em que o fluido é bombeado pelo espaço anular e retorna pelo interior da coluna (Figura 1b) Ao alterar o sentido de bombeio, algumas variáveis da operação podem ser afetadas, seja de forma benéfica ou prejudicial.
Na circulação direta, ao ser estrangulado pelos bocais ejetores, o fluido é acelerado e por consequência sofre queda de pressão de forma proporcional. No entanto, o jato expelido pelos bocais, devido às altas velocidades, tem grande influência na refrigeração dos cones da broca e limpeza do poço. Ao se chocar contra a formação, o jato contribui ainda para a erosão da formação rochosa, porém, acaba por contribuir também para a redução da granulometria dos
Figura 1. Representação do conjunto broca-poço operando em (a) Circulação Direta e (b) Circulação reversa
cascalhos, o que dificulta seu transporte até a superfície.
Na circulação reversa, o processo ocorre de forma bastante distinta. Com vazões de bombeio menores empregadas nessa técnica, ao chegar à região da broca, o fluido de perfuração adentra os bocais ejetores antes de lavar o fundo poço. Isso faz com que a quantidade de movimento na região dos cones seja bastante inferior aos valores encontrados para a circulação direta. Como consequência, têm-se baixa lubrificação, refrigeração e limpeza dos cones da broca e do fundo do poço o que pode ocasionar problemas operacionais como o desgaste precoce da broca. No entanto, a técnica apresenta vantagens quanto à taxa de remoção de cascalhos e a utilização de menores vazões de bombeio, que impactam nos custos diretos da operação.
Recente e pouco estudada ao se tratar de aplicações na indústria do petróleo, a perfuração com circulação reversa tem se mostrado vantajosa em diversos aspectos tornando-se alvo de interesse para implementações em maior escala, como em operações offshore. Ainda assim, é possível destacar o trabalho de alguns autores.
Maneira (2013) realizou um estudo numérico, a partir da implementação de um modelo simplificado de uma broca tricônica, a fim de avaliar a influência das propriedades reológicas de um fluido newtoniano, da vazão mássica, da velocidade de rotação da broca de o diâmetro dos bocais ejetores sobre o coeficiente de descarga e a força de impacto causada pelo
jato no fundo do poço. Dentre as principais contribuições do trabalho, constatou-se que a perda de carga ocorre majoritariamente na região dos bocais e que independe da viscosidade do fluido e da velocidade de rotação da broca.
Figueiredo (2014), visando corroborar os resultados apresentados por Maneira (2013), avaliou a influência da vazão mássica, da viscosidade dinâmica e do diâmetro do bocal ejetor sobre o coeficiente de descarga e a força de impacto no fundo do poço. O estudo foi conduzido através da implementação numérica de um duto anular contendo uma contração abrupta para representar o bocal. O autor concluiu que a perda de carga no bocal é função somente do seu diâmetro e que a força de impacto é influenciada principalmente pela vazão de fluido.
A fim de avaliar o comportamento do escoamento utilizando a técnica de circulação reversa, Sansoni (2005) conduziu um estudo pioneiro em que, a partir de uma geometria simplificada do conjunto broca poço, avaliou o potencial de arrasto de cascalhos ao conduzir um estudo considerando a presença da fase sólida no escoamento. Dentre as conclusões, destaca-se o aumento da capacidade de transporte dos cascalhos pelo interior da coluna de perfuração devido o efeito da rotação da coluna.
Para complementar os estudos apresenta-dos, o presente trabalho propõe-se a realizar a simulação numérica do escoamento turbulento de um fluido newtoniano sujeito às técnicas de circu-lação direta e reversa utilizando um modelo tridi-mensional de uma broca do tipo tricônica. O
obje-tivo é comparar as duas técnicas e a partir dos resultados, buscar a compreensão do desgaste da broca e da deficiência na limpeza do fundo poço e arrefecimento da broca causados pela ausência dos jatos.
FORMULAÇÃO DO PROBLEMA
É sabido que o fluido utilizado na perfura-ção de poços de petróleo, por uma série de moti-vos, é de natureza não newtoniana. No entanto, devido às condições de operação, o escoamento se comporta de forma turbulenta e atualmente, não existem modelos de turbulência consolidados na literatura que contemplem escoamentos com características turbulentas. Dessa forma, a formu-lação do problema começa com a hipótese de que o fluido de trabalho é newtoniano. Outras hipóteses adotadas na formulação matemática do problema são listadas abaixo:
1. O escoamento é considerado isotérmico,
i 0
T
x .
2. O fluido é incompressível, cte .
3. O escoamento é simétrico na direção azimu-tal.
4. A gravidade é desconsiderada, gi 0. 5. As paredes são consideradas lisas e
imper-meáveis.
Dessa maneira, têm-se as equações para a conservação da massa e conservação da quan-tidade de movimento conforme as Equações 1 e 2, respectivamente. A hipótese 1 elimina a ne-cessidade da resolução da equação da energia.
0 i i du dx (1) i 2 i Du P u Dt (2)
As quantidades turbulentas envolvidas são modeladas segundo a média de Reynolds e as-sim, derivam-se as equações de Navier Stokes com média de Reynolds e a equação da continui-dade com base na média temporal das variáveis envolvidas. 0 i i u x (3) ' ' 1 i i i i i j j i j j u u p u u u u t x x x x (4)
O tensor de tensões de Reynolds ' '
i j
u u é
solucionado a partir da hipótese de Boussinesq para a viscosidade turbulenta que por sua vez é modelada a partir do modelo de turbulência SST.
As regiões próximas às paredes são mode-ladas segundo a Lei de Parede eliminando a ne-cessidade de resolver o escoamento para baixos números de Reynolds, uma limitação dos mode-los de turbulência.
As equações são discretizadas conforme o método dos volumes finitos baseado em elemen-tos MVFbE.
Domínio de Estudo
A Figura 2 ilustra o domínio de estudo e de forma qualitativa, representa as condições de contorno empregadas na solução do problema. Para reduzir o custo computacional, vale-se da simetria do domínio para utilizar apenas uma fatia de 120 graus, representando a terça parte da ge-ometria completa. Conforme ilustra a Figura 2, o domínio é composto somente pela fase fluida compreendida pelo interior da broca e coluna, e pela região entre a broca e parede do poço e en-tre a coluna e a parede do poço. As interações do escoamento com a estrutura física da broca são desconsideradas neste estudo.
Figura 2 - Representação do domínio de estu-do e das condições de contorno
A fim de garantir que o escoamento chegue à região da broca completamente desenvolvido e portanto não influencie os resultados, um duto anular de 10 m de comprimento é acoplado à broca. O duto tem a malha computacional cons-truída separadamente possibilitando que ela seja concebida de maneira estruturada e permita um melhor controle do número e disposição dos
ele-mentos. A broca propriamente dita, dada sua ge-ometria complexa, é discretizada de forma não estruturada.
Parâmetros Avaliados
O presente estudo tem como propósito apresentar os resultados do estudo numérico com dinâmica de fluidos computacional, do esco-amento com circulação direta e reversa em uma broca do tipo tricônica. Os padrões dos escoa-mentos resultantes são apresentados e discuti-dos para os parâmetros analisadiscuti-dos, conforme a Tabela 1.
Tabela 1 - Avaliação paramétrica do problema
Parâmetro Valores Direta Reversa Massa específica [kg/m³] 1000; 1200; 1400 Vazão mássica [gpm] 300; 500; 800 100; 200; 300 Viscosidade dinâmica [cP] 10;30;60 Velocidade de rotação [rpm] 100;150;200 Teste de malha
O teste malha considerou o cenário mais crítico dentre os casos analisados, definido pelo maior número de Reynolds, ou seja, vazão igual a 800 gpm, massa específica igual a 1200 kg/m³, viscosidade igual a 10 cP e rotação igual a 150 rpm. Definida a malha de referência, as demais foram construídas a partir do aumento de todos os elementos em função de um fator de escala. Os resultados para o teste de malha são apresentados na Tabela 2 e a malhas são nomeadas a partir do seu respectivo fator de escala. Como não se definiu nenhuma região específica de interesse no interior do domínio, a comparação entre os resultados se deu a partir do monitoramento de uma variável média. A variável escolhida foi a força média calculada no fundo do poço. A malha escolhida foi a malha com fator de escala 1,7. A escolha levou em conta a precisão dos resultados, o atendimento a condição de y+ e o custo computacional.
Tabela 2- Resultados do teste de malha
Malha Elementos Força Desvio
Padrão Erro 2,2 854.598 2000,67 2,37% 14,5% 2,0 1.103.343 1999,19 3,40% 14,5% 1,7 1.718.101 1802,19 5,83% 3,2% 1,5 2.422.240 1746,70 4,12% - RESULTADOS
As condições de escoamento utilizadas no teste de malha foram também utilizadas para a comparação entre os campos de pressão e velocidade resultantes das duas técnicas de circulação. Ao olhar para a Figura 3 e , é possível perceber a notória diferença entre os padrões de escoamento. Na circulação direta, Figura 3, pode-se obpode-servar a formação do jato a medida que o fluido atravessa os ejetores. Ao colidir contra o fundo do poço, ocorre o espalhamento das linhas de corrente e a ascensão pela região anular adquirindo na sequência o comportamento helicoidal devido à rotação da coluna de perfuração, tal como ilustra a Figura 4.
Figura 3 - Padrão de escoamento para a circu-lação direta
Figura 4 - Padrão de escoamento helicoidal apresentado na circulação direta
Na Figura 5, é possível observar o padrão de escoamento produzido pela circulação reversa. Percebe-se pelas linhas de corrente, que o fluido chega à região da broca de maneira comportada e tem preferência por adentrá-la antes de lavar o fundo do poço. Dadas as funções do fluido de perfuração, esse fato pode ser o causador de problemas operacionais como o desgaste precoce dos cones da broca devido à abrasão e a falta de arrefecimento. Aqui fica claro que, embora a utilização da técnica apresenta diversas vantagens, o melhoramento da geometria da broca para atender as características do escoamento poderia contribuir para a longevidade da broca.
Figura 5 - Padrão de escoamento na circula-ção reversa
Limpeza dos Cones
Para comparar a capacidade de limpeza dos cones da broca, definiu-se uma região que envolve todos os elementos de malha que estão abaixo de um plano que toca a superfície superior dos cones. A região pode ser vista em cor laranja na Figura 6. A comparação se baseia na hipótese que, quanto maior a quantidade de movimento na região dos cones, maior a limpeza do fundo do poço e portanto, menor a saturação de cascalhos, fazendo com que não sejam reprocessados pela broca.
Figura 6 - Região volumétrica para aviliação da limpeza dos cones
Observando os resultados apresentados na Tabela 3, a deficiência na limpeza dos cones ao utilizar circulação reversa é evidenciada. Comparando condições operacionais equivalentes, ou seja, com vazões de 500 e 200 gpm para circulação direta e reversa, respectivamente, tem-se uma velocidade média de 6,14 m/s contra apenas 0,83 m/s, representado uma diferença de mais de sete vezes. Mesmo para o caso de mesma vazão, 300 gpm, a diferença ainda é de cerca de quatro vezes.
Tabela 3 - Velocidades médias na região dos cones Velocidade Média [m/s] Vazão [gpm] Circulação Direta Circulação Reversa 100 - 0,77 200 - 0,83 300 3,50 0,90 500 6,14 800 9,70
Na Figura 7 observa-se o perfil de pressão no fundo do poço para a circulação direta. Nota-se que a pressão é elevada nos pontos em que o jato colide com o fundo do poço e fica baixa nos pontos adjacentes devido à alta velocidade tangencial na mudança de direção do jato. Gráfico similar é mostrado para a circulação
reversa na Figura 8, sendo o perfil de pressão uniforme, evidência de que é uma região com baixa quantidade de movimento. Esse mesmo fato pode ser observado contrastando os campos de velocidade apresentados na Figura 9. Percebe-se que ao contrário da circulação direta, na circulação reversa, a região abaixo dos ejetores apresenta baixas velocidades e baixos gradientes de velocidades, além de elevada quantidade de recirculação, evidenciando novamente possíveis problemas de limpeza dos cones. Nessa figura, os vetores indicam apenas a direção da velocidade, sendo a sua intensidade dada pelo mapa de cores.
Figura 7 - Perfil de pressão no fundo do poço para circulação direta
Figura 8 - Perfil de pressão no fundo do poço para circulação reversa
Figura 9 - Campo de velocidade na região do jato para a circulação direta (esquerda) e re-versa (direita)
Influência Dos Parâmetros Analisados
Para as simulações, considerou-se um caso médio, com viscosidade igual a 30 cP, massa específica igual a 1200 kg/m³, rotação de 100 rpm, vazão de 500 gpm para a circulação direta e 200 gpm para a circulação reversa.
A partir do caso médio, os parâmetros são variados individualmente, buscando evidenciar sua influência nos resultados.
Massa específica: A influência da massa específica pode ser observada na Figura 10, para a força de impacto (integral da pressão no terço de fundo de poço simulado), e na Figura 11, para a queda de pressão (calculada entre a coluna e o espaço anular, a 10 metros de distância da broca). As barras de erro, quando visíveis, representam o desvio padrão da variável durante a simulação transiente, calculada conforme a variação temporal da variável. Percebe-se que a massa específica tende a aumentar a força de impacto, devido à maior inércia do escoamento, e também a aumentar a queda de pressão, já que aumenta o número de Reynolds. As curvas ajustadas são retas que cruzam o zero em todos os casos.
Figura 10 - Influência da massa específica na força de impacto
Figura 11- Influência da massa específica na queda de pressão
Viscosidade dinâmica: A influência da viscosidade dinâmica pode ser observada na Figura 12, para a força de impacto, e na Figura 13, para a queda de pressão. Apesar de uma maior influência na força de impacto, nota-se que a viscosidade tem pouca influência na queda de pressão, já que o escoamento é turbulento nas regiões de maior perda de carga.
Figura 12 - Influência da viscosidade na força de impacto
Figura 13 - Influência da viscosidade na queda de pressão
Vazão volumétrica: A influência da vazão volumétrica pode ser observada na Figura 14, para a força de impacto, e na Figura 15, para a queda de pressão. Nota-se que a mesma vazão gera uma força de impacto maior na circulação reversa. Porém, isso se deve a maior pressão estática presente no fundo do poço, já que a região de maior perda de carga, o bocal, ainda está a jusante no escoamento. Além disso, a pressão para o caso reverso é uniforme, não gerando impacto. Dessa forma, não é adequado utilizar a variável de força de impacto para comparar as duas formas de circulação, mas apenas entre os casos de um mesmo tipo. Em todos os casos, a curva de ajuste é uma parábola que cruza o zero.
Figura 14 - Influência da vazão na força de im-pacto
Figura 15 - Influência da vazão na queda de pressão
Rotação da coluna: A influência da rotação da coluna pode ser observada na Figura 16, para a força de impacto, e na Figura 17, para a queda de pressão. Percebe-se que a rotação não influencia a força para a circulação direta, e cria leve aumento para a circulação reversa. O mesmo comportamento se repete para a queda de pressão.
Figura 16 - Influência da rotação na força de impacto
Figura 17 - Influência da rotação na queda de pressão
CONCLUSÃO GERAL
Para o estudo numérico de simulação dire-ta e reversa, o compordire-tamento do escoamento para os casos de circulação direta e reversa são muito distintos. Enquanto na circulação direta, existe a presença de um jato que se choca contra o fundo do poço, na circulação reversa a quanti-dade de movimento do fluido que chega até a parte inferior do poço é muito menor. Ao contrário da circulação direta, na reversa a região abaixo dos ejetores apresenta baixas velocidades e bai-xos gradientes de velocidade, evidenciando uma possível causa de problemas operacionais como deficiência na limpeza do fundo do poço, o que pode causar desgaste prematuro da broca por abrasão e por deficiência no arrefecimento.
O efeito das baixas velocidades na região da broca para a circulação reversa ficará mais evidenciado quando forem introduzidas na simu-lação os efeitos das partículas geradas pelo pro-cesso de perfuração e for medido o tempo de permanência das partículas no domínio.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BOURGOYNE, A. T., MILLHEIM, K. K.,
CHENEVERT, M. E., & YOUNG, F. S. (1986). Applied drilling engineering.
FIGUEIREDO, L. M. Trabalho de Conclusao de Curso, Investigação numérica da força de impacto e do coeficiente de descarga em bocais ejetores de brocas de perfuração. 2014.
MANEIRA, E. L. Trabalho de Conclusao de Cur-so, Estudo da hidráulica de brocas de perfu-ração de poços - efeitos de parâmetros do processo de perfuração. 2013.
SANSONI, U. Avaliação por simulação computa-cional da circulação reversa na perfuração de poços de petróleo. Dissertação (Disserta-ção de Mestrado), 2005.
